Sokolje oči, ki gledajo valove težnosti

Ligo dobil partnerja: Virgo

Gledanje vesolja s pomočjo težnostnih valov je sveža in pomembna alternativa svetlobnemu. A do zdaj je bilo to početje v povojih, z odprtjem novega observatorija pa se je natančnost skokovito povečala.

30. september 2017 ob 15:22
Ljubljana - MMC RTV SLO
Ponazoritev dogajanja med združevanjem dveh črnih lukenj (na sredini) in motenj v času-prostoru naokoli. Ni nepomembno, da so s prvo zaznavo težnostnih valov tudi prvič dokazali obstoj črnih lukenj. Foto: LIGO

Svetloba je bila do zdaj praktično edini vir informacij o oddaljenem. Za obstoj stvari tam daleč zunaj v vesolju vemo le zaradi svetlobnih fotonov, ki so se od njih odbili in končali pri nas. (Nekaj informacij prinašajo tudi nevtrini in kozmični delci, a premalo za gledanje.) Tako je že milijone let, kar človeštvo tlači Zemljo. Zgolj leto in pol nazaj pa se je zgodila tehnično-znanstvena revolucija, ki je odprla popolnoma novo okno v vesolje. Namesto elektromagnetnega valovanja so to težnostni valovi. Motnje v odru, na katerega je obstoj sploh postavljen: času in prostoru.

V tem času je ameriškemu observatoriju Ligo, sestavljenemu in dveh fizično ločenih opazovalnic, uspelo trikrat zaznati gravitacijske valove, ki so jih odposlale črne luknje (1, 2, 3). Telesa, ki jih sicer (verjetno) nikoli ne bi videli. S tem je bila izkazana uporabnost koncepta; če bi ostalo samo pri prvem ali drugem dogodku, potem bi morda šlo za naključje ali pa za takšne redkosti, da gravitacijski observatoriji v praksi ne bi bili preveč koristni. Tako je bila uporabnost gravitacijskih opazovalnic nedvoumna.

A potreben je še precejšen tehnološki napredek. Opazovalnici sta samo dve, s tem pa je natančnost zelo omejena. To je tako, kot bi zaprtih oči poslušali dogajanje na cesti. Slišali bi hrup zelo oddaljenega vozila in morda ugotovili, za kaj gre, a lahko bi bilo nekaj sto metrov bolj levo ali desno v neki splošni smeri. Takšen je bil do zdaj Ligo z dvema detektorjema. Lahko je le zelo na debelo pokazal na smer nekje v okviru široke zaplate neba. Natančnost pri določanju lokacije je torej imela tudi na desetine milijard (in več) kilometrov veliko napako.

V troje je bolje
Zdaj pa so omejitev precej omilili. Ligovemu paru se je pridružil težnostni observatorij Virgo, ki je v Italiji. Trojica opazovalnic lahko na podlagi signala izvede t. i. triangulacijo, s čimer se natančnost lociranja poveča. Tako znanstveniki zdaj ne samo vidijo, kaj je tam zunaj, temveč tudi - kje je. Prostornina vesolja, kjer naj bi tarča bila, se je zmanjšala za 20-krat (več na grafiki desno). Temni deli vesolja čakajo na nadaljnja opazovanja. In prvi uspeh je že prišel.

Ligo in Virgo sta družno zaznala združitev dveh črnih lukenj daleč stran od Zemlje, piše v Ligovem sporočilu za javnost. Pri tem nista le videla, kaj točno se je dogajalo s tema masnima pošastma, temveč tudi, kje se je to zgodilo. Dogodek nosi naziv GW170814, izidi bodo objavljeni v znanstveni publikaciji Physical Review Letters.

Zaznani težnostni valovi so nastali 1,8 milijarde svetlobnih let stran (torej daleč zunaj naše domače Galaksije in tudi v daljni preteklosti). Črni luknji z masama 31 in 25 Sonc sta krožili druga okoli druge. Med kroženjem sta se približevali in s tem pospeševali, kar je vse bolj valovalo okoliški čas in prostor. Naposled sta se dotaknili in združili, kar se je zgodilo praktično hipoma. Novonastala črna luknja se ponaša z maso 53 Sonc, kar pomeni, da se je za kar tri Sonca mase pretvorilo v energijo oz. v težnostne valove. Ker samo Sonce vsebuje skoraj vso maso Sončnega sistema, lahko pretvorimo, da so v tem dogodku torej hipoma izparela kar tri Osončja. Ali - če prevedemo za naš planet - izginilo je za skoraj milijon Zemelj. Kako kolosalne energije so se sprostile, priča tudi dejstvo, da se je v atomski bombi nad Hirošimo potrošil manj kot kilogram urana.

Video: Simulacija signala GW170814

Ker je površina neba precej manjša, so lahko številne elektromagnetne observatorije usmerili tja, v iskanju morebitnega svetlobnega sijaja za dogodkom. Do zdaj jim ga ni uspelo zaznati in - kot kaže - spajanja črnih lukenj pač elektromagnetnega valovanja (vsaj zaznavnega na Zemlji) ne oddajajo.

Detekcija se je zgodila 14. avgusta, le dva tedna po tem, ko je Ligov dvojček začel skupna opazovanja z Virgom. Ta opazovalnica sicer ni nova, je pa zadnjih šest let preždela zaradi nadgradenj, popravil in tehničnih težav. Je tudi - za zdaj - manj natančna od obeh Ligov.

"To je le začetek opazovanj prek omrežja Virga in obeh Ligov. Pričakujemo, da bomo v naslednji opazovalni seansi jeseni 2018 dogodke zaznavali tedensko ali celo pogosteje," je povedal David Shoemaker z MIT-a.

Evropski Virgo se izboljšuje
Virgo je stavba v bližini Pise (Italija). Ima dva kraka, ki sta pravokotna drug na drugega. Dolga sta vsak po tri kilometre in vsebujeta - nič. Skozi trikilometrski vakuum sveti laser, ki ves čas meri, ali tam trije kilometri res merijo natančno toliko; ali pa se morda razdalja zaradi spreminjanja prostora daljša in krajša.

Na koncu teh kilometrskih predorov je ogledalo, ki žarek odbije nazaj v izvor. Žarka se torej po odbitju nazaj spet združita na začetku. Ker imata razdeljena žarka povsem enaki valovni dolžini, se ob ponovnem srečanju odštejeta oziroma "uničita". Če pa se prostor zaradi težnostnih valov v katerem izmed krakov skrči ali razširi, se ne odštejeta več, saj vrhovi in doline valov niso več popolnoma sinhronizirani. Pride do interference in signala, ki ga zazna detektor.

Virgo ima sistem ogledal, ki lahko žarke večkrat odbijejo gor in dol, s tem pa potencialnih 120 kilometrov dolžine. Za zdaj je sposoben zaznati gravitacijske valove pri frekvencah med 10 in 6.000 herci, piše na njihovi spletni strani.

Ligo je sestavljen iz dveh takšnih stavb, vsaka na svoji obali ZDA s 3.000 kilometri vmesnega prostora. Njihovi kraki štejejo štiri kilometre. Za kakšne natančnosti gre, priča naslednja primerjava. Ligo je sposoben razdajo do sosednje zvezde, Proksime kentavre 4,2 svetlobnega leta stran izmeriti do širine lasu natančno. Znotraj štirikilometrske cevi pa zazna spremembo, ki je manjša od desettisočinke protona.

Obstoj težnostnih valov je pred 101 letom napovedal znani fizik Albert Einstein.

Kaj sploh so gravitacijski valovi
Obstoj je postavljen v "tkanino" prostor-čas. To tkanino ukrivlja prisotnost mase. Če masa pospešuje, ukrivljenost prostora-časa ni več statična, temveč pospešek skoznjo pošlje valovanje. Ti valovi so pretanjeni in izjemno veliko mase jih mora povzročiti, da jih sploh lahko zaznamo.

To se navadno zgodi v binarnih sistemih, ko dve telesi krožita v paru okoli skupnega težnostnega središča, denimo dvojne črne luknje, binarne zvezde, lahko pa tudi nekatere nevtronske zvezde. Če se dve črni luknji približujeta druga drugi, pospešujeta svoje kroženje, in to je tisto, kar razpošlje motnje v prostoru-času daleč naokoli. Težnostno valovanje je povezano tudi z visokoenergijskimi dogodki, kot so eksplozije zvezd (supernove) - ali celo sam veliki pok.

Gravitacijski valovi, ki pri tem nastanejo, so kljub nepredstavljivo visokim oddanim energijam zelo, zelo šibki in majhni. Le kot primer: prostor med dva milijona kilometrov oddaljenima objektoma se skrči za milijoninko milijoninke metra. Tudi zato so jih desetletja neuspešno poskušali zaznati s površja Zemlje, saj je tudi planet sam moteč dejavnik.

Esa nadaljuje iz vesolja
Medtem Evropska vesoljska agencija (Esa) že razvija tehnologijo prihodnosti, vesoljski observatorij za gravitacijske valove. Medtem ko se Ligo spopada z velikimi nevšečnostmi planeta (potresi, magnetizem, toplota), bo Esina eLisa v vesolju 1,5 milijona kilometrov stran od Zemlje, kjer vlada precej večja tišina. Zadeva je še precej v povojih, saj so februarja lani v nebo poslali prototip, malo sondo Lisa Pathfinder, ki služi zgolj kot pilotni projekt preizkusa, ali sploh gredo v pravo smer. Za zdaj kaže zelo dobro. Lani so z Ese sporočili, da je sonda za kar petkrat presegla pričakovanja.

V osnovi je to veliko kovinsko ohišje, v katerem prosto lebdita dve kocki iz platine in zlata, Esa pa je morala doseči, da ohišje okoli njiju lebdi, ne da bi ju kakor koli motilo. To so dosegli. Projekt v polni sestavi, eLisa, pa predvideva tri sonde na oddaljenosti enega milijona kilometrov, ki bodo prav tako merile, ali se vmesna razdalja morda krči in razteza. V vesolje naj bi poletele čez dobro desetletje, tudi v sodelovanju z Naso.


To je le začetek opazovanj prek omrežja Virga in obeh Ligov. Pričakujemo, da bomo v naslednji opazovalni seansi jeseni 2018 dogodke zaznavali tedensko ali celo pogosteje.

David Shoemaker, MIT


Virgo v Italiji, stavba z dvema trikilometrskima traktoma. Na taki razdalji se že dovolj pozna ukrivljenost Zemlje, da obeh krakov niso mogli enostavno položiti po tleh, sicer ne bi bila ravni črti. Foto: Virgo
Zaznani signal skozi Ligova interferometra (levo) in Virgo (desno). Vidno je, da Virgo še ni tako natančen, zato se že več let prebija skozi številne nadgradnje. Foto: LIGO/Caltech/MIT/LSC
Črnih lukenj naj bi bilo v vesolju na stotine ali celo tisoče milijard. A za zdaj so zatrdno zaznali le prgišče manjših, na tem grafu ponazorjenih levo spodaj z vijoličasto in zaznanih s pomočjo rentgenskih valov. Pa še nekaj malega srednje velikih, ki so ponazorjene z modro barvo, zaznali pa so jih s pomočjo težnostnih valov. Navpična os ponazarja število mas Sonca v posamezni črni luknji. Foto: LIGO/Caltech/Sonoma State (Aurore Simonnet)
Čas zaznave posameznega signala kaže, da je združitev črnih lukenj praktično hipna. Foto: LIGO/Caltech/MIT/LSC
Zaplate neba, od koder po izračunih prihajajo posamezni do zdaj zaznani signali, so obsežne. Levo spodaj s svetlo zeleno je najnovejši, ki kaže, kako se je z dodatkom Virga povečala natančnost. In še se bo. Foto: LIGO/Caltech/MIT/Leo Singer/Axel Mellinger
Zadnji GW170814 signal še podrobneje. V modri barvi je lokalizacija le z Ligovimi podatki, rumena z dodatkom Virga, bela pa podrobnejša z dodatnimi izračuni. Foto: Virgo
Računalniška ponazoritev združevanja dveh črnih lukenj. Foto: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)

Zanimivosti


Posamezne delfine lahko razločimo po njihovih obrazih

Ljubljanski študenti s Pipistrelom razvili prvo polnilnico za električna letala

Umetna inteligenca se je že sposobna učiti brez človekove pomoči

Na Kemijskem inštitutu razvili proteinske kletke, ki jih je mogoče sintetizirati v celicah